抽水蓄能機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)化改造

熊 照

（惠州蓄能發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516100）

0 引 言

勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定極限降低的趨勢(shì)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的要求越來(lái)越高，促使勵(lì)磁技術(shù)不斷發(fā)展。根據(jù)對(duì)抽水蓄能電廠自運(yùn)行以來(lái)出現(xiàn)故障的原因跟蹤分析發(fā)現(xiàn)，多起機(jī)組故障是因勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁交、直流開(kāi)關(guān)回路異常導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)故障引起的。因此，勵(lì)磁系統(tǒng)可靠性的提高，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行很重要，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)交、直流開(kāi)關(guān)的優(yōu)化改造就很有必要。

1 勵(lì)磁系統(tǒng)介紹

某抽水蓄能電廠機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是自并勵(lì)方式，其電源是經(jīng)勵(lì)磁變壓器從主變低壓側(cè)取得。正常運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁交流電源經(jīng)交流開(kāi)關(guān)，再經(jīng)整流器整流，最后由直流開(kāi)關(guān)輸送至轉(zhuǎn)子。勵(lì)磁系統(tǒng)的主要組成有勵(lì)磁變壓器、可控硅整流器、滅磁裝置、轉(zhuǎn)子繞組過(guò)電壓保護(hù)裝置和交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)裝置、起勵(lì)裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁變低壓側(cè)交流開(kāi)關(guān)和直流側(cè)磁場(chǎng)開(kāi)關(guān)、控制、保護(hù)、測(cè)量及通信系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖

勵(lì)磁系統(tǒng)交、直流開(kāi)關(guān)回路改造前，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)和勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)的動(dòng)作邏輯是每次開(kāi)機(jī)時(shí)，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)先合閘，然后勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)合閘，兩個(gè)開(kāi)關(guān)均動(dòng)作；機(jī)組停機(jī)時(shí)，先斷開(kāi)勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)，然后斷開(kāi)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)。兩個(gè)開(kāi)關(guān)在動(dòng)作過(guò)程中存在相互閉鎖的關(guān)系。當(dāng)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)在分閘位置時(shí)，如果有跳閘命令，會(huì)導(dǎo)致跳閘線圈一直勵(lì)磁。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)化改造

2.1 勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)與直流母排的連接原是采用插拔式的活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。該活動(dòng)結(jié)構(gòu)有兩個(gè)缺點(diǎn)，具體如下。（1）勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)本體上的連接觸頭僅靠彈簧及銷釘固定在一起，所用的彈簧和銷釘較多，并且彈簧和銷釘易松動(dòng)，造成觸頭松動(dòng)，可靠性較差[1]。（2）當(dāng)勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)處于工作位置時(shí)，母排的固定觸頭嵌入勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)觸頭的爪形結(jié)構(gòu)中，兩者接觸部分為爪形結(jié)構(gòu)的前端向內(nèi)凹的部位。該連接方式使開(kāi)關(guān)與母排的連接處接觸面積小，且容易受開(kāi)關(guān)合閘時(shí)的振動(dòng)影響接觸面積[1]。這兩個(gè)缺點(diǎn)均增加連接處的接觸電阻，當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)大的勵(lì)磁電流時(shí)，容易發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)造成開(kāi)關(guān)燒毀。

圖2 原有的活動(dòng)連接

#6機(jī)組曾在泵工況停機(jī)電氣制動(dòng)過(guò)程中，勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)勵(lì)磁二級(jí)故障。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)與勵(lì)磁銅排連接處燒熔，其中勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)與勵(lì)磁銅排1個(gè)連接觸頭燒壞。經(jīng)分析，其原因?yàn)閯?lì)磁直流開(kāi)關(guān)與直流母排接觸不良，導(dǎo)致兩者連接處接觸電阻變大，當(dāng)通過(guò)很大的勵(lì)磁電流時(shí)引起發(fā)熱，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)燒毀。

針對(duì)勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)這一結(jié)構(gòu)缺陷，決定對(duì)勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)與母排的連接更改為固定連接，增強(qiáng)連接處的可靠性與穩(wěn)定性。改造后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，移去原有活動(dòng)觸頭爪形結(jié)構(gòu)，改用銅排連接開(kāi)關(guān)本體與直流母排，勵(lì)磁開(kāi)關(guān)主觸頭的上下4個(gè)極通過(guò)銅排連接到直流母排上，兩端連接均用3個(gè)螺栓緊固。該種方式，既增加了觸頭連接處的連接面積，又可靠，不受開(kāi)關(guān)分合時(shí)的振動(dòng)影響。同時(shí)，勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)中用來(lái)滅磁的輔助觸頭也由插拔式改為固定式。

圖3 改造后的固定連接

2.2 勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制邏輯優(yōu)化改造

機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，發(fā)生多起由于勵(lì)磁系統(tǒng)故障而引起的機(jī)組故障事件。#5機(jī)組曾因勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)上方的連接彈簧片與開(kāi)關(guān)插頭間的連接不牢，造成合閘回路斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)未正常合閘，導(dǎo)致停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速降至50%以下時(shí)電氣制動(dòng)未正常投入[2]；#4機(jī)組停機(jī)過(guò)程中由于K05抖動(dòng)，造成交流開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，而直流開(kāi)關(guān)并未真正跳開(kāi)，交流開(kāi)關(guān)與直流開(kāi)關(guān)位置不一致，引發(fā)勵(lì)磁二級(jí)故障；#5機(jī)因勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)故障G工況啟動(dòng)失敗，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)損壞，合閘后跳開(kāi)導(dǎo)致勵(lì)磁二級(jí)故障；#8機(jī)組在SR試機(jī)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)接到命令后，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)未能合閘，而直流開(kāi)關(guān)合閘，導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)二級(jí)故障；#3機(jī)組CP啟動(dòng)時(shí)，由于交流開(kāi)關(guān)連接到外部輔助接點(diǎn)的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)松動(dòng)，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，輔助接點(diǎn)未動(dòng)，出現(xiàn)勵(lì)磁二級(jí)故障等[2]。

經(jīng)分析，這些事件均由勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)故障引起。原設(shè)計(jì)的勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯（見(jiàn)圖4）是每次投勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)合閘；每次退出勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)分閘。由于抽水蓄能電廠在電網(wǎng)中起調(diào)峰調(diào)頻作用，每天開(kāi)停機(jī)頻繁，導(dǎo)致勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)過(guò)多。這不僅使交流開(kāi)關(guān)的電氣壽命降低，其機(jī)械方面的性能也降低，導(dǎo)致勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)故障率變高，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制邏輯的不足，對(duì)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)分合閘邏輯進(jìn)行優(yōu)化改造。在交流開(kāi)關(guān)的兩個(gè)跳閘回路中均增加了中間繼電器k40、k39、k03的輔助接點(diǎn)，即在合閘回路中串入機(jī)組故障、勵(lì)磁系統(tǒng)故障及相關(guān)保護(hù)動(dòng)作的信號(hào)，當(dāng)機(jī)組、勵(lì)磁系統(tǒng)本身均無(wú)故障時(shí)，通過(guò)斷開(kāi)分閘回路，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)的常合；一旦機(jī)組或勵(lì)磁系統(tǒng)本身發(fā)生故障，串入的接點(diǎn)閉合，能夠正常實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)的分閘。優(yōu)化后的勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制邏輯（見(jiàn)圖5）為：勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)一旦合閘后，在機(jī)組正常停機(jī)過(guò)程中，保持合閘狀態(tài)，僅在機(jī)組故障或者勵(lì)磁系統(tǒng)本身故障時(shí)，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)才分閘進(jìn)行徹底隔離。這就避免了開(kāi)關(guān)的頻繁分合。

2.3 勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制回路優(yōu)化改造

圖4 原勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制邏輯

圖5 改造后的勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制邏輯

勵(lì)磁系統(tǒng)的交流開(kāi)關(guān)現(xiàn)有控制回路存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，（1）當(dāng)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)在分閘位置時(shí)，如果有跳閘命令，會(huì)導(dǎo)致跳閘線圈一直勵(lì)磁，尤其是在檢修工作時(shí)，通電時(shí)間較長(zhǎng)，影響線圈壽命；（2）每次投入勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)合閘線圈都會(huì)勵(lì)磁，而勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)在正常情況下，處于常合狀態(tài)，每次勵(lì)磁投入時(shí)合閘線圈都會(huì)勵(lì)磁，降低了合閘線圈的壽命。

針對(duì)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制回路的這兩個(gè)問(wèn)題，分別在交流開(kāi)關(guān)跳閘回路中增加交流開(kāi)關(guān)常開(kāi)狀態(tài)接點(diǎn)（圖6中標(biāo)注的2和3位置）和交流開(kāi)關(guān)常閉狀態(tài)接點(diǎn)（圖6中標(biāo)注的1位置）。這樣勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)位置時(shí)，其跳閘回路中這個(gè)接點(diǎn)（圖6中標(biāo)注的2和3位置）就會(huì)斷開(kāi)，即使其他接點(diǎn)閉合，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的情況下，跳閘線圈也不會(huì)勵(lì)磁；勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)在合閘位置時(shí)，其合閘回路中這個(gè)接點(diǎn)（圖6中標(biāo)注的1位置）就會(huì)斷開(kāi)，即使其他接點(diǎn)閉合，在開(kāi)關(guān)合閘的情況下，合閘線圈也不會(huì)勵(lì)磁。

圖6 改造后的勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)控制回路

3 勵(lì)磁系統(tǒng)優(yōu)化改造后的可靠性分析

勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)與直流母排的連接由插拔式連接改為固定連接，從3個(gè)方面提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，并降低了運(yùn)行維護(hù)的難度。（1）增大了連接處的面積，銅排的接觸面積比原有的活動(dòng)觸頭面積要大很多，降低了接觸電阻；（2）增強(qiáng)了連接處的穩(wěn)定性，用螺栓連接，可靠穩(wěn)定，不受勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)合閘時(shí)振動(dòng)的影響；（3）運(yùn)行維護(hù)比活動(dòng)觸頭方便，原有活動(dòng)觸頭彈簧和銷釘多，觸頭由很多小的結(jié)構(gòu)組成，增加了檢修難度。勵(lì)磁直流開(kāi)關(guān)連接結(jié)構(gòu)自改造以來(lái)，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，固定連接處未發(fā)生明顯發(fā)熱現(xiàn)象。

原設(shè)計(jì)中，每次開(kāi)停機(jī)都會(huì)閉合和斷開(kāi)勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)的壽命與操作次數(shù)有關(guān)，過(guò)多的操作對(duì)交流開(kāi)關(guān)的壽命產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)故障率變高。經(jīng)過(guò)改造，勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)極大地減少，交流開(kāi)關(guān)的控制回路更加合理，極大地提高了開(kāi)關(guān)的可靠性，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要條件。勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)大大減少，開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)也大大減少。這不僅提高了開(kāi)關(guān)的壽命，而且使其參與控制的輔助接點(diǎn)的準(zhǔn)確性能也有了很大提高。勵(lì)磁交流開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)減少，故障率降低，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性[3]。

4 結(jié) 論

勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。針對(duì)原勵(lì)磁系統(tǒng)的不足，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)直流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)、交流開(kāi)關(guān)控制邏輯和回路進(jìn)行優(yōu)化改造，很大程度降低了勵(lì)磁系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性、機(jī)組的可用性和運(yùn)行可靠性，對(duì)發(fā)電機(jī)以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。